Fundamentos de la soldadura por fricción para la fabricación de ejes de bombas
Aunque el proceso de soldadura por fricción usa soldadura para definirlo, no hay parecido con la soldadura convencional. Principalmente porque no se requiere material de relleno. En cambio, en la soldadura por fricción, dos componentes se frotan a una velocidad de rotación controlada.
Esto crea fricción y el calor permite que ambas piezas alcancen un estado plástico, y se forjan juntas en un enlace. Este proceso es ampliamente utilizado por destacados fabricantes de soldadura en una variedad de industrias.
Soldadura por fricción implica el uso de tecnología única que incorpora controles de monitoreo de última generación.
El proceso permite que los fabricantes de bombas utilicen ejes compuestos en lugar de ejes de una sola pieza. Luego, esto ayuda a los fabricantes a seleccionar fácilmente los mejores materiales para adaptarse a una aplicación. Como resultado, también reduce la preocupación por los costos de las materias primas. En esencia, el proceso de soldadura por fricción crea un mejor equilibrio al seleccionar el material óptimo sin tener en cuenta el alto precio.
Los criterios de costo versus rendimiento se pueden realizar sin sacrificar el rendimiento. Esto incluye resistencia a la abrasión o corrosión, resistencia mecánica para cargas operativas y características sanitarias exigidas por la FDA.
Con costos de $3 a $34 por libra para aceros inoxidables y aleaciones con alto contenido de níquel de uso común, el uso de materiales de menor costo para el 60 por ciento de un eje puede proporcionar ahorros significativos en la fabricación del eje.
Consideraciones sobre el eje del extremo seco versus el extremo húmedo
Para comprender cómo reducir los costos, debe saber que los ejes de las bombas tienen dos extremos distintos: un extremo seco y un extremo húmedo. El extremo seco está sellado y encerrado, generalmente en aceite, dentro de la carcasa de la bomba. El extremo húmedo, que generalmente se encuentra fuera del recinto de la bomba, entra en contacto con la aplicación.
Como el extremo seco tiene un papel menos crítico en la mayoría de las aplicaciones, puede usar materiales menos costosos, como aceros con bajo contenido de carbono, para esta parte de los ejes. Sin embargo, se debe mantener la fuerza suficiente para la aplicación. Por el contrario, el extremo húmedo del eje es donde “el caucho se encuentra con la carretera” debido a su contacto directo con las condiciones ambientales externas de la aplicación.
Aquí es donde se pone serio, y donde a menudo se requieren aleaciones exóticas con alto contenido de níquel y aceros inoxidables de alta resistencia más costosos. Puede ahorrar dinero fabricando ejes compuestos con, por lo general, dos tercios del extremo seco menos crítico del eje fabricado con materiales, como acero al carbono.
Teniendo en cuenta los desafíos de la volatilidad de los precios y los recargos en los precios de los materiales a base de níquel, que a menudo superan el costo base del material, estos ahorros pueden ser sustanciales para los fabricantes. También promueven una estabilidad significativa de costos y ganancias para el producto final. Con una selección adecuada de materiales para el extremo seco y húmedo del eje de la bomba, normalmente se pueden cumplir las propiedades de resistencia del material original, con ahorros de costos.
El control de última generación a través de la supervisión y los gráficos visuales durante el proceso de soldadura por fricción y los procedimientos de inspección ultrasónica posteriores a la soldadura garantizan una integridad constante de la unión soldada. Los controles de producción monitorean las RPM, la carga axial y el desplazamiento del material durante la soldadura.
Las piezas terminadas se pueden enviar a laboratorios acreditados para una evaluación metalúrgica y/o una variedad de pruebas mecánicas. De esa manera, puede inspeccionar las pruebas de torsión, tracción y flexión normal sobre radios designados para aplicaciones específicas. Las piezas generalmente están clasificadas para cargas que exceden las aplicaciones previstas.
La integridad de las juntas de soldadura por fricción
Debido a la posibilidad de ahorrar dinero, los expertos han realizado un extenso análisis de las uniones soldadas por fricción. Al comparar las uniones soldadas por fricción con las uniones soldadas convencionales, los expertos afirman que la zona afectada por el calor (HAZ) es menos extensa y tiene un ancho más estrecho que la zona afectada por el calor de una soldadura convencional que incorpora un material de relleno.
Las propiedades mecánicas de la zona afectada por el calor son similares a las del metal base pero, dependiendo de la temperatura alcanzada durante la soldadura, la velocidad de enfriamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura, los tres pueden cambiar las propiedades de la soldadura. Si todo se controla correctamente, las soldaduras tendrán la integridad necesaria, lo cual es crucial.
La soldadura por fricción exitosa estará libre de porosidad y no habrá inclusiones de fusión u óxido. En raras ocasiones, se pueden dispersar óxidos muy finos por el centro de la junta.
Consideraciones materiales cruciales
En el lado húmedo del eje, normalmente se utiliza una variedad de acero inoxidable y aleaciones a base de níquel para cumplir con los requisitos de la aplicación. Por ejemplo, el acero inoxidable 304, el acero inoxidable 316 o el acero inoxidable 17-4 PH pueden soldarse por fricción para producir el lado húmedo del eje de una bomba. Estos ofrecen mejores propiedades mecánicas y proporcionan un equilibrio entre la fuerza y la resistencia a la corrosión.
En el lado seco del eje de la bomba, las opciones son prácticamente infinitas. Los fabricantes pueden usar acero de carbono medio y bajo o acero inoxidable para resistencia a la corrosión si es necesario.
Incluso con acero inoxidable en el extremo seco, a menudo se logran reducciones de costos. Cuando se trata de la integridad de la soldadura, se debe evitar el acero al carbono de las series 1100 y 1200 con contenido refosfatado y resulfurado que ofrece una mejor maquinabilidad. Estos materiales tienen mayores cantidades de azufre o plomo, lo que puede crear problemas en el proceso de soldadura por fricción.
Una amplia gama de opciones de soldadura por fricción
La soldadura por fricción brinda más opciones para la producción de ejes de bombas más allá del costo de los materiales. En el diseño de proyectos para aplicaciones de bombas, los fabricantes pueden utilizar materiales con propiedades más amplias en resistencia y resistencia a la corrosión.
En el extremo seco, la resistencia específica al desgaste, la longevidad en la duración del servicio y la fatiga relacionada, y las cargas son factores importantes que se deben considerar al elegir los materiales. Los beneficios de manufactura también se pueden obtener con la soldadura por fricción.
Los ejes se pueden diseñar para una capacidad de fabricación y maquinabilidad óptimas, y se pueden lograr reducciones significativas en los costos de maquinado. Con materiales optimizados, se pueden reducir los costos de las herramientas de corte, las máquinas se pueden operar con velocidades y avances más rápidos, y se puede aumentar el tiempo de actividad y la producción de la máquina herramienta. Esos pueden combinarse para proporcionar hasta un 15 por ciento de ahorro y, al mismo tiempo, brindar a los fabricantes hasta un 20 por ciento más de capacidad en máquinas herramienta y celdas de mecanizado.
Soldadura por fricción y ahorro de costos
Con base en los requisitos de una aplicación, se puede utilizar un ahorro de hasta un 60 por ciento en los costos de materia prima con la soldadura por fricción. Ese ahorro incluye el costo de la soldadura por fricción. Por ejemplo, una de 2,5 pulgadas. Eje de aleación de alta resistencia de diámetro hecho de un material que pesa hasta 17 libras. por pie lineal, pesaría alrededor de 51 libras. para un eje de 3 pies. A $5.00 por libra, este eje costaría alrededor de $255.
Si se usa soldadura por fricción para reemplazar dos tercios (2 pies) del extremo seco del eje con material de acero al carbono de menor costo a un costo de 60 centavos por libra, este eje costaría alrededor de $105, un ahorro del 58 por ciento. Aunque la soldadura por fricción existe desde hace más de 50 años, sigue siendo uno de los secretos mejor guardados de la fabricación.
Para los desafíos de costos que presentan los materiales a base de níquel de alta resistencia, la capacidad de la soldadura por fricción para reemplazar grandes porcentajes de estos materiales costosos mientras se mantiene la resistencia y la integridad estructural que se requieren para cualquier aplicación proporciona un fuerte incentivo para reducir los costos. fabricantes de bombas conscientes.